Исследование оптимизации поперечного зонирования при расширении мощности почти горизонтальных карьеров угольных разрезов

Почему важно перестраивать гигантские угольные разрезы

Во многих местах мира электричество и промышленность по‑прежнему во многом зависят от угля. В Китае огромные карьеры обеспечивают значительную часть этого топлива, но по мере их роста они могут становиться менее безопасными, дороже в эксплуатации и наносить больший ущерб ландшафту. В этой работе рассматривается, как один из таких разрезов на северо‑востоке Китая может реорганизовать свою структуру, чтобы безопасно увеличить добычу, одновременно сокращая объем пустой породы и лучше используя землю и технику. Идеи, изложенные здесь, применимы везде, где большие открытые рудники вынуждены расширяться без резкого роста затрат и рисков.

От одного большого котлована к более разумным рабочим зонам

Карьер Баоцин Чаоян в настоящее время добывает около 7 млн тонн угля в год и ставит цель — достичь 11 млн. Разрез ведется по одному почти плоскому залежу угля в традиционной «продольной» компоновке: фронт добычи идет примерно прямо, а самосвалы перевозят вскрышную и породу к отвалам. По мере роста производства такая схема создаёт проблемы. Активная линия добычи слишком коротка, поэтому котлован должен быстро продвигаться вперёд ежегодно, что создает нагрузку на технику и графики работ. Внутренние отвалы внутри котлована заполняются, их низкие, сплющенные откосы отличаются от проектных значений, что указывает на риск нестабильности и оставляет мало места для дополнительного материала. Одновременно расширение внешних отвалов затруднено из‑за потребности в дополнительной земле. Авторы утверждают, что вместо простого наращивания темпов работ по той же схеме целесообразно разделить разрез на несколько более широких «поперечных» зон, которые лучше соответствуют залеганию пласта и разгрузят отвалы.

Поиск оптимальной длины фронта и затрат

Ключевой вопрос: какой длины должна быть активная линия добычи? Если она слишком короткая, котлован должен быстро сдвигаться вперёд, повышая риски по откосам и заставляя самосвалы ездить на большие подъемы и спуски. Если она слишком длинная, техника распределяется тоньше, а внутренние расстояния для перевозки увеличиваются, что также ведет к росту затрат. Исследователи построили простой геометрический и затратный модельный подход, связывающий годовой объем добычи, мощность и плотность пласта, допустимую скорость продвижения и толщину вскрыши с показателями вскрышного соотношения (сколько породы приходится переместить на тонну угля) и затратами на взрывные работы, экскавацию и транспорт. Они показывают, что общие затраты на вскрытие образуют неглубокую U‑образную кривую при увеличении длины рабочей линии: очень короткие линии дороги из‑за необходимости выносить породу от крутых торцевых стен, тогда как очень длинные линии увеличивают расстояния перевозки. Для целевого производства 11 млн тонн в год модель указывает экономичную длину рабочей линии примерно от 1,35 до 2,05 км, с оптимальной точкой около 1,35 км и годовым продвижением порядка 400–500 м. Этот диапазон затем определяет ширину каждой новой зоны добычи.

Поворот разреза вбок ради более безопасных откосов отвалов

Далее авторы рассматривают, что происходит, если разрез постепенно переводят из продольной в поперечную компоновку, так чтобы разработка и отвал происходили более в направлении неглубокого падения пласта. Используя упрощённую картину устойчивости откосов, они объясняют, что при текущей схеме внутренние отвалы расположены поперёк падения геологических слоёв. Такая геометрия повышает эффективный склон вниз по направлению, контролирующий сдвиг, и укорачивает потенциальный путь сдвига, делая насыпи более склонными к сползанию. В поперечной компоновке внутренние отвалы строятся ближе к направлению естественного падения пласта. Это уменьшает составляющую вниз по склону, удлиняет путь возможного сдвига и увеличивает силы сопротивления в породе и породной массе. Проще говоря, тот же объём вскрышной породы можно сложить в формы и направления, которые менее подвержены обрушению. Такая архитектура также упорядочивает дренаж и делает уступы более регулярными, что важно для долговременной прочности откосов.

Сравнение четырёх проектов с честной системой оценок

Планировщики затем разрабатывают четыре разных варианта дробления котлована на большие зоны, каждая со своей очередностью работ и схемами размещения отвалов. Каждый вариант имеет практические плюсы и минусы: одни ориентированы на удобство и короткие пробеги самосвалов в краткосрочной перспективе, другие — на более долгий срок службы или упрощённую компоновку для будущей крупной техники. Чтобы выбрать между ними, авторы составляют восьмикомпонентную шкалу оценки, учитывающую геологию, прочность пород, гидрогеологические условия, конфигурацию поверхности, инженерные затраты, экономику, экологическое воздействие и социальные последствия, такие как отчуждение земель. Вместо опоры на один индикатор или чисто субъективную ранжировку они комбинируют два вида взвешивания: экспертную оценку (метод аналитической иерархии) и метод «энтропии», который анализирует, сколько информации несет каждый показатель. Эти взвешенные факторы затем вводятся в методологию неустановленной меры (Unascertained Measure Theory), которая умеет работать со смешанными числами и экспертными оценками и присваивает каждому варианту степень уверенности в категориях «превосходно», «хорошо», «удовлетворительно» или «плохо».

Победивший вариант и его результаты

По объединённой оценке второй вариант явно выделяется. Он реорганизует исходную площадку в четыре широкие поперечные зоны с длинными, но всё ещё управляемыми рабочими линиями и компоновкой, хорошо подходящей для будущих непрерывных или полунепрерывных систем добычи, таких как дробилки и конвейеры внутри котлована. Этот вариант набирает примерно 0,71 в верхней категории «превосходно», существенно опережая остальные. В ходе своей эксплуатации он обеспечил бы извлечение около 971 млн тонн угля, со средним вскрышным коэффициентом 5,8 м³ породы на тонну угля и максимальным сроком службы более 34 лет. Хотя внутренние расстояния для перевозки в абсолютных величинах больше, когда затраты распределяются на больший и более эффективный объём производства, этот вариант по‑прежнему обеспечивает наименьшую общую стоимость на тонну и улучшенные запас прочности по безопасности.

Что это означает за пределами одного разреза

Для неспециалиста главный вывод таков: способ разрезки и организации работы огромного карьерного котлована может иметь не меньшее значение, чем общее количество залегающего под ним угля. Математически настраивая длину активного фронта добычи и переориентируя разрез в поперечные зоны, согласованные с геологией, можно увеличить добычу и одновременно снизить объем пустой породы и риски. Подход исследования — структурированный чек‑лист технических, экономических, экологических и социальных факторов в сочетании с прозрачной методикой оценки — предоставляет шаблон для других крупных карьеров, стоящих перед задачей расширения. Это показывает, что тщательное планирование может превратить рост мощностей из игры с риском в управляемый и более устойчивый процесс.

Цитирование: Wen, Y., Song, Z., Su, Q. et al. Optimization study on transverse mining zoning during the capacity expansion stage of nearly horizontal open-pit coal mines. Sci Rep 16, 3908 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35908-5

Ключевые слова: карьерная добыча угля, планирование шахты, стабильность откосов, расширение мощности, многофакторная оценка